Paperin- ja kartonginvalmistusprosessien mallinnus ja dynaaminen reaaliaikainen simulointi

Lisensiaatintyö

Research output: ThesisLicenciateTheses

Abstract

Tietokoneavusteinen dynaaminen simulointi tarjoaa matemaattisen testipenkin, jossa prosessin ja sen automaation käyttäytymistä voidaan tutkia kustannustehokkaasti ja ilman riskiä ihmisille, ympäristölle tai tuotantolaitteistolle. Tehtaanlaajuisten, laskentanopeudeltaan vähintään reaaliaikaisten dynaamisten simulointimallien hyödyntäminen yleistyy muun muassa prosessin ja automaation suunnittelussa ja kehitystyössä, automaation testauksessa ja operaattoreiden koulutuksessa. Simulointiin tarvittavien matemaattisten mallien kehittäminen on paperinvalmistusprosessien tapauksessa moniulotteinen tehtävä. Paperin raaka-aineet, kuidut ja täyteaineet muodostavat veden kanssa epähomogeenisen seoksen, jonka käyttäytymistä on vaikea ennustaa tarkasti. Prosessissa on useita yksikköoperaatioita, esimerkiksi rainaus, joiden ilmiöitä pystytään vain osittain kuvaamaan teoreettisesti ja joista on hyvin vähän saatavilla mallinnukseen soveltuvaa mittausdataa. Eri osatekijöiden lisäksi prosessin ja sen automaation muodostama kokonaisuus on monimutkainen sisältäen paljon takaisinkytkentöjä ja ristikkäisvaikutuksia. Prosessin ilmiöiden aikajänne vaihtelee millisekunneista tunteihin. Tämä tutkimus kokoaa mallinnuksen näkökulmasta keskeistä tietoa paperin- ja kartonginvalmistuksesta. Työssä tutustutaan simuloinnin taustaan, sovelluksiin sekä työkaluihin sellu- ja paperiteollisuudessa. Käytännön esimerkkinä kuvataan Apros Paper -simulointiympäristössä (APMS) toteutettu kolmikerroskartonkikoneen mallinnus: valitut mallit, käytetyt yksinkertaistukset sekä kokemuksia mallin rakentamisesta, validoinnista ja hyödyntämisestä. Kohdeprosessin mallinnus alkaa jauhatuksen syöttösäiliöiltä ja kattaa prosessin kuivatusosan ensimmäiselle mittaraamille asti. Mallinnuksessa on käytetty mahdollisimman pitkälle mekanistisia, fysiikan ja kemian peruslakeihin perustuvia malleja, joita on tarpeen mukaan täydennetty kokeellisella tiedolla. Mittaustietoihin vertailu osoitti mallin vastaavan hyvin kohdekoneen dynaamista käyttäytymistä. Työssä osoitetaan, että dynaamista simulointimallia, johon on yksityiskohtaisesti kuvattu prosessin ja automaation keskeiset osat, voidaan menestyksellisesti käyttää monimutkaisen dynaamisen järjestelmän tutkimiseen ja hallinnan kehittämiseen. Rakennettua kartonkikonemallia sovellettiin ensimmäisenä lajinvaihtojen kehittämiseen. Jo simulaattorin rakentamisvaihe oli hyödyllinen syventäen ymmärrystä eri tekijöiden vaikutuksesta lajinvaihdossa. Lisäksi lajin-vaihtoautomaation mallia testattaessa havaittiin kaksi operaattoreiden virheellistä käytäntöä lajinvaihtoautomaation käyttämisessä. Tehtaalla tehtyjen simulointikokeiden avulla haettiin lajinvaihtoautomaation viritysparametreille uudet arvot, jotka otettiin käyttöön kohdekoneella. Muutosten ansiosta lajinvaihtoaikojen todettiin lyhentyneen noin 15 %. Toisessa sovellusesimerkissä simulointimallin kuivatusosaa muutettiin korvaamalla kuivatussylintereitä päällepuhalluskuivaimella. Simuloimalla selvitettiin muutosten vaikutusta kuivatuskapasiteettiin ja tutkittiin uuden kuivaimen hyödyntämistä kartongin kosteuden hallintaan. Työn lopuksi arvioidaan käytettyä mallinnuksen ja simuloinnin lähestymistapaa sekä pohditaan mallin kehittämiskohteita saatujen tulosten valossa. Kehitetylle simulointimallille esitellään myös uusia mahdollisia käyttötapoja.
Original languageFinnish
QualificationLicentiate Degree
Awarding Institution
  • Aalto University
Place of PublicationEspoo
Publisher
Print ISBNs951-38-6267-4
Electronic ISBNs951-38-6268-2
Publication statusPublished - 2004
MoE publication typeG3 Licentiate thesis

Keywords

  • pulp and paper
  • mathematical modelling
  • dynamic simulation
  • paper making
  • board making
  • grade change
  • Apros

Cite this

@phdthesis{b9da31b24d1f4bd28683bda204c71097,
title = "Paperin- ja kartonginvalmistusprosessien mallinnus ja dynaaminen reaaliaikainen simulointi: Lisensiaatinty{\"o}",
abstract = "Tietokoneavusteinen dynaaminen simulointi tarjoaa matemaattisen testipenkin, jossa prosessin ja sen automaation k{\"a}ytt{\"a}ytymist{\"a} voidaan tutkia kustannustehokkaasti ja ilman riski{\"a} ihmisille, ymp{\"a}rist{\"o}lle tai tuotantolaitteistolle. Tehtaanlaajuisten, laskentanopeudeltaan v{\"a}hint{\"a}{\"a}n reaaliaikaisten dynaamisten simulointimallien hy{\"o}dynt{\"a}minen yleistyy muun muassa prosessin ja automaation suunnittelussa ja kehitysty{\"o}ss{\"a}, automaation testauksessa ja operaattoreiden koulutuksessa. Simulointiin tarvittavien matemaattisten mallien kehitt{\"a}minen on paperinvalmistusprosessien tapauksessa moniulotteinen teht{\"a}v{\"a}. Paperin raaka-aineet, kuidut ja t{\"a}yteaineet muodostavat veden kanssa ep{\"a}homogeenisen seoksen, jonka k{\"a}ytt{\"a}ytymist{\"a} on vaikea ennustaa tarkasti. Prosessissa on useita yksikk{\"o}operaatioita, esimerkiksi rainaus, joiden ilmi{\"o}it{\"a} pystyt{\"a}{\"a}n vain osittain kuvaamaan teoreettisesti ja joista on hyvin v{\"a}h{\"a}n saatavilla mallinnukseen soveltuvaa mittausdataa. Eri osatekij{\"o}iden lis{\"a}ksi prosessin ja sen automaation muodostama kokonaisuus on monimutkainen sis{\"a}lt{\"a}en paljon takaisinkytkent{\"o}j{\"a} ja ristikk{\"a}isvaikutuksia. Prosessin ilmi{\"o}iden aikaj{\"a}nne vaihtelee millisekunneista tunteihin. T{\"a}m{\"a} tutkimus kokoaa mallinnuksen n{\"a}k{\"o}kulmasta keskeist{\"a} tietoa paperin- ja kartonginvalmistuksesta. Ty{\"o}ss{\"a} tutustutaan simuloinnin taustaan, sovelluksiin sek{\"a} ty{\"o}kaluihin sellu- ja paperiteollisuudessa. K{\"a}yt{\"a}nn{\"o}n esimerkkin{\"a} kuvataan Apros Paper -simulointiymp{\"a}rist{\"o}ss{\"a} (APMS) toteutettu kolmikerroskartonkikoneen mallinnus: valitut mallit, k{\"a}ytetyt yksinkertaistukset sek{\"a} kokemuksia mallin rakentamisesta, validoinnista ja hy{\"o}dynt{\"a}misest{\"a}. Kohdeprosessin mallinnus alkaa jauhatuksen sy{\"o}tt{\"o}s{\"a}ili{\"o}ilt{\"a} ja kattaa prosessin kuivatusosan ensimm{\"a}iselle mittaraamille asti. Mallinnuksessa on k{\"a}ytetty mahdollisimman pitk{\"a}lle mekanistisia, fysiikan ja kemian peruslakeihin perustuvia malleja, joita on tarpeen mukaan t{\"a}ydennetty kokeellisella tiedolla. Mittaustietoihin vertailu osoitti mallin vastaavan hyvin kohdekoneen dynaamista k{\"a}ytt{\"a}ytymist{\"a}. Ty{\"o}ss{\"a} osoitetaan, ett{\"a} dynaamista simulointimallia, johon on yksityiskohtaisesti kuvattu prosessin ja automaation keskeiset osat, voidaan menestyksellisesti k{\"a}ytt{\"a}{\"a} monimutkaisen dynaamisen j{\"a}rjestelm{\"a}n tutkimiseen ja hallinnan kehitt{\"a}miseen. Rakennettua kartonkikonemallia sovellettiin ensimm{\"a}isen{\"a} lajinvaihtojen kehitt{\"a}miseen. Jo simulaattorin rakentamisvaihe oli hy{\"o}dyllinen syvent{\"a}en ymm{\"a}rryst{\"a} eri tekij{\"o}iden vaikutuksesta lajinvaihdossa. Lis{\"a}ksi lajin-vaihtoautomaation mallia testattaessa havaittiin kaksi operaattoreiden virheellist{\"a} k{\"a}yt{\"a}nt{\"o}{\"a} lajinvaihtoautomaation k{\"a}ytt{\"a}misess{\"a}. Tehtaalla tehtyjen simulointikokeiden avulla haettiin lajinvaihtoautomaation viritysparametreille uudet arvot, jotka otettiin k{\"a}ytt{\"o}{\"o}n kohdekoneella. Muutosten ansiosta lajinvaihtoaikojen todettiin lyhentyneen noin 15 {\%}. Toisessa sovellusesimerkiss{\"a} simulointimallin kuivatusosaa muutettiin korvaamalla kuivatussylintereit{\"a} p{\"a}{\"a}llepuhalluskuivaimella. Simuloimalla selvitettiin muutosten vaikutusta kuivatuskapasiteettiin ja tutkittiin uuden kuivaimen hy{\"o}dynt{\"a}mist{\"a} kartongin kosteuden hallintaan. Ty{\"o}n lopuksi arvioidaan k{\"a}ytetty{\"a} mallinnuksen ja simuloinnin l{\"a}hestymistapaa sek{\"a} pohditaan mallin kehitt{\"a}miskohteita saatujen tulosten valossa. Kehitetylle simulointimallille esitell{\"a}{\"a}n my{\"o}s uusia mahdollisia k{\"a}ytt{\"o}tapoja.",
keywords = "pulp and paper, mathematical modelling, dynamic simulation, paper making, board making, grade change, Apros",
author = "Jari Lappalainen",
year = "2004",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-6267-4",
series = "VTT Publications",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "518",
address = "Finland",
school = "Aalto University",

}

Paperin- ja kartonginvalmistusprosessien mallinnus ja dynaaminen reaaliaikainen simulointi : Lisensiaatintyö. / Lappalainen, Jari.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 2004. 144 p.

Research output: ThesisLicenciateTheses

TY - THES

T1 - Paperin- ja kartonginvalmistusprosessien mallinnus ja dynaaminen reaaliaikainen simulointi

T2 - Lisensiaatintyö

AU - Lappalainen, Jari

PY - 2004

Y1 - 2004

N2 - Tietokoneavusteinen dynaaminen simulointi tarjoaa matemaattisen testipenkin, jossa prosessin ja sen automaation käyttäytymistä voidaan tutkia kustannustehokkaasti ja ilman riskiä ihmisille, ympäristölle tai tuotantolaitteistolle. Tehtaanlaajuisten, laskentanopeudeltaan vähintään reaaliaikaisten dynaamisten simulointimallien hyödyntäminen yleistyy muun muassa prosessin ja automaation suunnittelussa ja kehitystyössä, automaation testauksessa ja operaattoreiden koulutuksessa. Simulointiin tarvittavien matemaattisten mallien kehittäminen on paperinvalmistusprosessien tapauksessa moniulotteinen tehtävä. Paperin raaka-aineet, kuidut ja täyteaineet muodostavat veden kanssa epähomogeenisen seoksen, jonka käyttäytymistä on vaikea ennustaa tarkasti. Prosessissa on useita yksikköoperaatioita, esimerkiksi rainaus, joiden ilmiöitä pystytään vain osittain kuvaamaan teoreettisesti ja joista on hyvin vähän saatavilla mallinnukseen soveltuvaa mittausdataa. Eri osatekijöiden lisäksi prosessin ja sen automaation muodostama kokonaisuus on monimutkainen sisältäen paljon takaisinkytkentöjä ja ristikkäisvaikutuksia. Prosessin ilmiöiden aikajänne vaihtelee millisekunneista tunteihin. Tämä tutkimus kokoaa mallinnuksen näkökulmasta keskeistä tietoa paperin- ja kartonginvalmistuksesta. Työssä tutustutaan simuloinnin taustaan, sovelluksiin sekä työkaluihin sellu- ja paperiteollisuudessa. Käytännön esimerkkinä kuvataan Apros Paper -simulointiympäristössä (APMS) toteutettu kolmikerroskartonkikoneen mallinnus: valitut mallit, käytetyt yksinkertaistukset sekä kokemuksia mallin rakentamisesta, validoinnista ja hyödyntämisestä. Kohdeprosessin mallinnus alkaa jauhatuksen syöttösäiliöiltä ja kattaa prosessin kuivatusosan ensimmäiselle mittaraamille asti. Mallinnuksessa on käytetty mahdollisimman pitkälle mekanistisia, fysiikan ja kemian peruslakeihin perustuvia malleja, joita on tarpeen mukaan täydennetty kokeellisella tiedolla. Mittaustietoihin vertailu osoitti mallin vastaavan hyvin kohdekoneen dynaamista käyttäytymistä. Työssä osoitetaan, että dynaamista simulointimallia, johon on yksityiskohtaisesti kuvattu prosessin ja automaation keskeiset osat, voidaan menestyksellisesti käyttää monimutkaisen dynaamisen järjestelmän tutkimiseen ja hallinnan kehittämiseen. Rakennettua kartonkikonemallia sovellettiin ensimmäisenä lajinvaihtojen kehittämiseen. Jo simulaattorin rakentamisvaihe oli hyödyllinen syventäen ymmärrystä eri tekijöiden vaikutuksesta lajinvaihdossa. Lisäksi lajin-vaihtoautomaation mallia testattaessa havaittiin kaksi operaattoreiden virheellistä käytäntöä lajinvaihtoautomaation käyttämisessä. Tehtaalla tehtyjen simulointikokeiden avulla haettiin lajinvaihtoautomaation viritysparametreille uudet arvot, jotka otettiin käyttöön kohdekoneella. Muutosten ansiosta lajinvaihtoaikojen todettiin lyhentyneen noin 15 %. Toisessa sovellusesimerkissä simulointimallin kuivatusosaa muutettiin korvaamalla kuivatussylintereitä päällepuhalluskuivaimella. Simuloimalla selvitettiin muutosten vaikutusta kuivatuskapasiteettiin ja tutkittiin uuden kuivaimen hyödyntämistä kartongin kosteuden hallintaan. Työn lopuksi arvioidaan käytettyä mallinnuksen ja simuloinnin lähestymistapaa sekä pohditaan mallin kehittämiskohteita saatujen tulosten valossa. Kehitetylle simulointimallille esitellään myös uusia mahdollisia käyttötapoja.

AB - Tietokoneavusteinen dynaaminen simulointi tarjoaa matemaattisen testipenkin, jossa prosessin ja sen automaation käyttäytymistä voidaan tutkia kustannustehokkaasti ja ilman riskiä ihmisille, ympäristölle tai tuotantolaitteistolle. Tehtaanlaajuisten, laskentanopeudeltaan vähintään reaaliaikaisten dynaamisten simulointimallien hyödyntäminen yleistyy muun muassa prosessin ja automaation suunnittelussa ja kehitystyössä, automaation testauksessa ja operaattoreiden koulutuksessa. Simulointiin tarvittavien matemaattisten mallien kehittäminen on paperinvalmistusprosessien tapauksessa moniulotteinen tehtävä. Paperin raaka-aineet, kuidut ja täyteaineet muodostavat veden kanssa epähomogeenisen seoksen, jonka käyttäytymistä on vaikea ennustaa tarkasti. Prosessissa on useita yksikköoperaatioita, esimerkiksi rainaus, joiden ilmiöitä pystytään vain osittain kuvaamaan teoreettisesti ja joista on hyvin vähän saatavilla mallinnukseen soveltuvaa mittausdataa. Eri osatekijöiden lisäksi prosessin ja sen automaation muodostama kokonaisuus on monimutkainen sisältäen paljon takaisinkytkentöjä ja ristikkäisvaikutuksia. Prosessin ilmiöiden aikajänne vaihtelee millisekunneista tunteihin. Tämä tutkimus kokoaa mallinnuksen näkökulmasta keskeistä tietoa paperin- ja kartonginvalmistuksesta. Työssä tutustutaan simuloinnin taustaan, sovelluksiin sekä työkaluihin sellu- ja paperiteollisuudessa. Käytännön esimerkkinä kuvataan Apros Paper -simulointiympäristössä (APMS) toteutettu kolmikerroskartonkikoneen mallinnus: valitut mallit, käytetyt yksinkertaistukset sekä kokemuksia mallin rakentamisesta, validoinnista ja hyödyntämisestä. Kohdeprosessin mallinnus alkaa jauhatuksen syöttösäiliöiltä ja kattaa prosessin kuivatusosan ensimmäiselle mittaraamille asti. Mallinnuksessa on käytetty mahdollisimman pitkälle mekanistisia, fysiikan ja kemian peruslakeihin perustuvia malleja, joita on tarpeen mukaan täydennetty kokeellisella tiedolla. Mittaustietoihin vertailu osoitti mallin vastaavan hyvin kohdekoneen dynaamista käyttäytymistä. Työssä osoitetaan, että dynaamista simulointimallia, johon on yksityiskohtaisesti kuvattu prosessin ja automaation keskeiset osat, voidaan menestyksellisesti käyttää monimutkaisen dynaamisen järjestelmän tutkimiseen ja hallinnan kehittämiseen. Rakennettua kartonkikonemallia sovellettiin ensimmäisenä lajinvaihtojen kehittämiseen. Jo simulaattorin rakentamisvaihe oli hyödyllinen syventäen ymmärrystä eri tekijöiden vaikutuksesta lajinvaihdossa. Lisäksi lajin-vaihtoautomaation mallia testattaessa havaittiin kaksi operaattoreiden virheellistä käytäntöä lajinvaihtoautomaation käyttämisessä. Tehtaalla tehtyjen simulointikokeiden avulla haettiin lajinvaihtoautomaation viritysparametreille uudet arvot, jotka otettiin käyttöön kohdekoneella. Muutosten ansiosta lajinvaihtoaikojen todettiin lyhentyneen noin 15 %. Toisessa sovellusesimerkissä simulointimallin kuivatusosaa muutettiin korvaamalla kuivatussylintereitä päällepuhalluskuivaimella. Simuloimalla selvitettiin muutosten vaikutusta kuivatuskapasiteettiin ja tutkittiin uuden kuivaimen hyödyntämistä kartongin kosteuden hallintaan. Työn lopuksi arvioidaan käytettyä mallinnuksen ja simuloinnin lähestymistapaa sekä pohditaan mallin kehittämiskohteita saatujen tulosten valossa. Kehitetylle simulointimallille esitellään myös uusia mahdollisia käyttötapoja.

KW - pulp and paper

KW - mathematical modelling

KW - dynamic simulation

KW - paper making

KW - board making

KW - grade change

KW - Apros

M3 - Licenciate

SN - 951-38-6267-4

T3 - VTT Publications

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -